第三章 傳熱新

1、第三章第三章 傳熱傳熱 化學工程學院化學工程學院 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 傳熱：由于溫度差而引起的能量轉移。傳熱：由于溫度差而引起的能量轉移。 在一種介質內部或兩種介質之間，只要存在溫度差，就必然在一種介質內部或兩種介質之間，只要存在溫度差，就必然 會出現傳熱過程。會出現傳熱過程。 1.1 傳熱過程在化工生產中的應用傳熱過程在化工生產中的應用 傳熱是自然界和工程領域中較為普遍的一種傳遞過程，通常傳熱是自然界和工程領域中較為普遍的一種傳遞過程，通常 來說有溫度差的來說有溫度差的 存在就有熱的傳遞，也就是說存在就有熱的傳遞，也就是說溫差的存在溫差的存在是實現是實現 傳熱的傳熱的 前提條件或者說是推

2、動力，在化工中很多過程都直接或間前提條件或者說是推動力，在化工中很多過程都直接或間 接的與傳熱有關。但是進行傳熱的目的不外乎是以下三種：接的與傳熱有關。但是進行傳熱的目的不外乎是以下三種： 削弱傳熱過程削弱傳熱過程 強化傳熱過程強化傳熱過程 1 1、為了使物料滿足生產規(guī)定的操作溫度需要加熱或冷卻；、為了使物料滿足生產規(guī)定的操作溫度需要加熱或冷卻； 2 2、物料在輸送或處理過程中有熱量損失時需要保溫；、物料在輸送或處理過程中有熱量損失時需要保溫； 3 3、由于節(jié)能的需要、由于節(jié)能的需要, ,對冷（熱）量要回收利用。對冷（熱）量要回收利用。 1.2 傳熱的三種基本方式傳熱的三種基本方式 （1）熱傳

3、導（導熱）熱傳導（導熱） 熱量從物體內溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，熱量從物體內溫度較高的部分傳遞到溫度較低的部分， 或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導。或傳遞到與之接觸的另一物體的過程稱為熱傳導。 特點：沒有物質的宏觀位移。特點：沒有物質的宏觀位移。 氣體氣體:分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果分子做不規(guī)則熱運動時相互碰撞的結果 固體固體:導電體：自由電子在導電體：自由電子在晶格間晶格間的運動的運動 非導電體：通過非導電體：通過晶格結構的振動晶格結構的振動來實現的來實現的 液體液體:機理復雜，主要靠原子、分子在平衡位置上的熱運動。機理復雜，主要靠原子、分子在平衡位置上的熱運動。

4、 （2）對流）對流*(熱對流或對流傳熱熱對流或對流傳熱) 流體與流體與固體表面固體表面之間有相對運動時的熱量傳遞過程。之間有相對運動時的熱量傳遞過程。 （3）熱輻射）熱輻射 物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。物體因熱的原因發(fā)出輻射能的過程稱為熱輻射。 能量轉移、能量形式的轉化 不需要任何物質作媒介 特點特點 分子隨機運動分子隨機運動 流體整體運動流體整體運動 （電磁波傳遞）（電磁波傳遞） 本章主要介紹導熱和對流傳熱，在此基礎上本章主要介紹導熱和對流傳熱，在此基礎上 研究冷熱流體透過固體壁面進行換熱的過程。研究冷熱流體透過固體壁面進行換熱的過程。 自然對流自然對流溫差導致密度不同溫差導致

5、密度不同 強制對流強制對流外力攪動引起的對流外力攪動引起的對流 第二節(jié)第二節(jié) 熱傳導熱傳導 2.1 熱傳導方程熱傳導方程 （1）傅立葉（）傅立葉（Fourier）定律）定律 dT QA dx dT q dx 或或 Q：熱流量或導熱速率（：熱流量或導熱速率（Js-1或或W）；）； q：熱流：熱流密度密度（Jm-2s-1或或Wm-2）；）； A：導熱面積（：導熱面積（m2）；）； ：導熱系數（：導熱系數（Wm-1K-1） dT dx ：熱流方向上的溫度梯度（：熱流方向上的溫度梯度（Km -1）；）； 負號：熱能沿溫度降低的方向傳遞。負號：熱能沿溫度降低的方向傳遞。 上式為導熱的基本定律，即上式為導

6、熱的基本定律，即傅立葉定律。傅立葉定律。 返回返回 （2）熱導率（導熱系數）熱導率（導熱系數） 在數值上等于單位溫度梯度下的熱通量。在數值上等于單位溫度梯度下的熱通量。 是分子微觀運是分子微觀運 動的宏觀表現，動的宏觀表現，它表示物質導熱能力的強弱它表示物質導熱能力的強弱。 Q dT A dx =f(結構結構,組成組成,密度密度,溫度溫度,壓力壓力) 物理含義：代表物理含義：代表單位溫度單位溫度梯度下的梯度下的熱通量熱通量大小大小，故物質的故物質的 越大，導熱越大，導熱性能越性能越好好。 在一定溫度范圍內：在一定溫度范圍內： =0(1+at) 式中式中0，：0, t時的導熱系數，時的導熱系數，

7、W/(mK)； a ：溫度系數，：溫度系數，1/；對大多數金屬材料：；對大多數金屬材料：a 0，t，。 規(guī)律：規(guī)律： （a）一般地）一般地， 導電固體 導電固體 非導電固體非導電固體， ， 液體 液體 氣體氣體 t ， 氣體 氣體 ， ， 水 水 ，其它液體的 ，其它液體的 。 （b）液體：）液體：金屬液體金屬液體較高，非金屬液體較高，非金屬液體低，水的低，水的最大最大。 一般來說，純液體的大于溶液，一般來說，純液體的大于溶液， t，（除水和甘油）。（除水和甘油）。 （c）氣體：）氣體：t，、氣體不利于導熱，可以應用在哪里呢？氣體不利于導熱，可以應用在哪里呢？ 需要需要提高導熱速率的場合提高導

8、熱速率的場合選用導熱系數選用導熱系數大大的材料，反之，需要的材料，反之，需要 減小導熱速率減小導熱速率的場合選用導熱系數的場合選用導熱系數小小的材料。的材料。 可用來保溫或隔熱。工程上通常根據導熱系數的數值來選擇合可用來保溫或隔熱。工程上通常根據導熱系數的數值來選擇合 適的導熱材料。適的導熱材料。北方的雙層窗戶，多孔的材料北方的雙層窗戶，多孔的材料，不能使用實心磚。，不能使用實心磚。 部分材料的導熱系數可從工具書中查閱。部分材料的導熱系數可從工具書中查閱。 物質導熱系數的數量級 物質種類氣體液體非導固體金屬絕熱材料 /W/(m) 0.0060.60.07 0.7 0.2 3.0 15 4201

9、0000，0.7Pr160， 50 3.4 3.4 無相變時對流傳熱系數的經驗關聯式無相變時對流傳熱系數的經驗關聯式 1圓形直管內的湍流圓形直管內的湍流 努塞特準數努塞特準數 普蘭特準數普蘭特準數 特征尺寸為管內徑特征尺寸為管內徑di 流體被加熱時，流體被加熱時，k0.4；被冷卻時，；被冷卻時，k0.3。 雷諾數雷諾數 流體流動狀態(tài)和湍流程度的影響流體流動狀態(tài)和湍流程度的影響 流體物性的影響 對流傳熱的強弱程度對流傳熱的強弱程度 30 圓形直管內的層流圓形直管內的層流d, 1/d0.2 流體物性的影響，選大的流體 8 . 0 18 . 0 2 . 0 8 . 0 8 . 0 023. 0)()

10、(023. 0 kk p k p c d u c du d 強化措施？強化措施？ 2圓形直管內的層流圓形直管內的層流 3/13/13/1 )()()(86.1 p cdu d L 要求：要求： Re10 管內徑為當量直徑管內徑為當量直徑 非圓形管道內流動非圓形管道內流動 e d4 流體流動截面積 流體潤濕的傳熱周邊 32 二、大空間的自然對流傳熱二、大空間的自然對流傳熱 Pr),(GrfNu n GrCNuPr),( 注意：注意： c與傳熱面的形狀（管或板）、放置位置（垂直、水平） n取決于流動狀態(tài)，實驗測定。 定性溫度：定性溫度：壁面溫度與流體溫度算術平均值 特征尺寸：特征尺寸：垂直的管或板

11、取高度，水平管取管外徑 np tlg c l C)( 2 23 自然對流的格拉曉夫數 3.4 對流傳熱系數的經驗關聯式對流傳熱系數的經驗關聯式 各準數的名稱和涵義列于下表。各準數的名稱和涵義列于下表。 準數名稱準數名稱符號符號準數式準數式涵義涵義 努塞特準數努塞特準數 Nu 包含對流傳熱系數的準數，亦名包含對流傳熱系數的準數，亦名 對流傳熱對流傳熱準數準數 雷諾準數雷諾準數 Re 確定流體流動型態(tài)的準數，亦名確定流體流動型態(tài)的準數，亦名 流型流型準數準數 普蘭特準數普蘭特準數 Pr 表示物理性質影響的準數，亦名表示物理性質影響的準數，亦名 物性物性準數準數 格拉曉夫準數格拉曉夫準數 Gr 表示

12、自然對流影響的準數，亦名表示自然對流影響的準數，亦名 升力升力準數準數 由于實驗是在一定的條件下進行的，因此由實驗所得到的經由于實驗是在一定的條件下進行的，因此由實驗所得到的經 驗關聯式就要受到實驗條件的制約，那么在應用經驗關聯式時驗關聯式就要受到實驗條件的制約，那么在應用經驗關聯式時 應注意以下三點：應注意以下三點： (a) 應用范圍主要指應用范圍主要指Re、Pr和和Gr等準數的范圍。等準數的范圍。 (b) 特征尺寸就是關聯式中的各準數特征尺寸就是關聯式中的各準數Nu、Re和和Gr中所規(guī)中所規(guī) 定的尺寸，即其中的定的尺寸，即其中的l如何取。如何取。 (c) 定性溫度指確定準數中流體的物理性質

13、如定性溫度指確定準數中流體的物理性質如Cp、 、等所依據的溫度。等所依據的溫度。 35 例題例題 一列管式換熱器，由一列管式換熱器，由38根根 252.5mm的無縫鋼管的無縫鋼管 組成，苯在管內流動，由組成，苯在管內流動，由20加熱到加熱到80 ，苯的流量，苯的流量 為為8.32kg/s，外殼中通入水蒸氣進行加熱，求：，外殼中通入水蒸氣進行加熱，求： （1）管壁對苯的對流傳熱系數；）管壁對苯的對流傳熱系數； （2）當苯的流量提高一倍，對流傳熱系數變化如何？）當苯的流量提高一倍，對流傳熱系數變化如何？ )/(80. 1,/860 3 CkgkJcmkg p )/(14. 0,45. 0CmWsm

14、Pa 解：苯的定性溫度解：苯的定性溫度 Tm=（20+80）/2=50 解： （1）管內流速為）管內流速為u= =0.023*0.14/0.028*309600.8*5.790.4 =1272wm-2K-1 8 . 0 18 . 0 2 . 0 8 . 0 8 . 0 023. 0)()(023. 0 kk p k p c d u c du d K=0.4 符合實驗條件符合實驗條件 （2）管內流速增加一倍時）管內流速增加一倍時 傳熱系數增加了（傳熱系數增加了（2215-1272）/1272=74.14% 第四節(jié)第四節(jié) 輻射傳熱輻射傳熱 4.1 基本概念基本概念 （1）熱輻射的特性）熱輻射的特性

15、 輻射是用電磁波傳遞能量的過程，傳遞的能量，稱為輻射是用電磁波傳遞能量的過程，傳遞的能量，稱為 輻射能。目前已發(fā)現了波長小于輻射能。目前已發(fā)現了波長小于10-7m的宇宙射線和波長的宇宙射線和波長 長達長達20km的無線電波。如下表所示。的無線電波。如下表所示。 其中波長在其中波長在0.38-1000m范圍內的電磁波（即紅外線和可見光）范圍內的電磁波（即紅外線和可見光） 能被物體吸收而使物體發(fā)熱，因而這部分射線稱為能被物體吸收而使物體發(fā)熱，因而這部分射線稱為熱射線熱射線。實驗。實驗 表明，自然界中大部分物體，只要溫度超過表明，自然界中大部分物體，只要溫度超過0K即向外界發(fā)射熱射即向外界發(fā)射熱射

16、線。線。只有當物體發(fā)射的輻射能被另一物體吸收且重新轉變?yōu)闊崮苤挥挟斘矬w發(fā)射的輻射能被另一物體吸收且重新轉變?yōu)闊崮?的過程，才叫熱輻射。（的過程，才叫熱輻射。（ 0.8-40m ） 物體之間通過熱輻射進行輻射換熱時，兩物體物體之間通過熱輻射進行輻射換熱時，兩物體不必直接接觸不必直接接觸， 只要處在相互可見的位置，輻射過程就可以進行。即使在真空狀只要處在相互可見的位置，輻射過程就可以進行。即使在真空狀 態(tài)下，熱射線也能傳遞，這是熱輻射的一個很重要的特點。態(tài)下，熱射線也能傳遞，這是熱輻射的一個很重要的特點。 熱射線和可見光一樣，同樣具有熱射線和可見光一樣，同樣具有反反 射、折射和吸收射、折射和吸收的

17、特性；服從光的反的特性；服從光的反 射和折射定律，在均一介質中作直線射和折射定律，在均一介質中作直線 傳播；在真空和透明氣體中可以完全傳播；在真空和透明氣體中可以完全 透過。透過。 如右圖所示，投射在物體表面上如右圖所示，投射在物體表面上 的總輻射能為的總輻射能為Q，其中有一部分能量，其中有一部分能量 Q被吸收，一部分能量被吸收，一部分能量Q被反射，另被反射，另 一部分能量一部分能量Q則透過物體。則透過物體。 由能量守恒得： 即： 定義： 稱為物體的吸收率吸收率*absorptivity； 稱為物體的反射率反射率； reflectivity 稱為物體的透過率透過率。transmissivity

18、 故： 能全部吸收外界投入輻射能的表面，叫黑表面，具有黑表面能全部吸收外界投入輻射能的表面，叫黑表面，具有黑表面 的物體，稱為絕對黑體，簡稱的物體，稱為絕對黑體，簡稱黑體黑體。 自然界中并沒有黑體，可以用人工的方法制造出十分接近于自然界中并沒有黑體，可以用人工的方法制造出十分接近于 黑體的模型。黑體模型為一開有小孔的空腔，腔的內壁涂有一層黑體的模型。黑體模型為一開有小孔的空腔，腔的內壁涂有一層 吸收率很高的炭黑，或者內壁構造多個隔板。當熱射線經小孔進吸收率很高的炭黑，或者內壁構造多個隔板。當熱射線經小孔進 入空腔時，在空腔內要經歷多次地吸收和反射，每吸收一次，輻入空腔時，在空腔內要經歷多次地吸

19、收和反射，每吸收一次，輻 射能量就減弱一次，最終離開小孔的能量就微乎其微了。就輻射射能量就減弱一次，最終離開小孔的能量就微乎其微了。就輻射 特點而言，小孔就好像一個黑表面一樣。特點而言，小孔就好像一個黑表面一樣。 黑體的吸收率為黑體的吸收率為1，實驗表明，實驗表明，黑體的輻射能力最大黑體的輻射能力最大。 1的物體，稱為全反射體（絕對白體或鏡體）的物體，稱為全反射體（絕對白體或鏡體）。同黑。同黑 體一樣，自然界中并不存在絕對白體，但有些物體接近于全體一樣，自然界中并不存在絕對白體，但有些物體接近于全 反射體如反射體如表面磨光的金屬鏡面表面磨光的金屬鏡面反射率反射率為為0.950.97；對于氣；對

20、于氣 體，它的界面反射熱射線非常少，可以忽略不計，即體，它的界面反射熱射線非常少，可以忽略不計，即氣體反氣體反 射率射率一般均可看成為一般均可看成為0。 1的物體，的物體，稱為透熱體稱為透熱體。對空氣、雙原子或單原子構。對空氣、雙原子或單原子構 成的氣體（例如成的氣體（例如H2，O2，N2，He）一般可看成是透熱體。）一般可看成是透熱體。 值得注意的是，多原子氣體（例如值得注意的是，多原子氣體（例如H2O、CO2、O3）能有選）能有選 擇地吸收和發(fā)射某些波段范圍的輻射能，這些氣體不能看成擇地吸收和發(fā)射某些波段范圍的輻射能，這些氣體不能看成 透熱體。透熱體。0的物體（的物體（+=1)為不透熱體，

21、從熱輻射的角度為不透熱體，從熱輻射的角度 來講，所有來講，所有固體均可看成是不透熱體固體均可看成是不透熱體。 ，并不完全由并不完全由物體本身的性質物體本身的性質所決定，不但所決定，不但 和和物體溫度、表面狀況物體溫度、表面狀況有關，而且與有關，而且與投入來的輻射射線投入來的輻射射線 波長波長有關，例如玻璃，對投入來的波長在有關，例如玻璃，對投入來的波長在0.40.8m的的 可見光，可見光，0.9左右，可近似看成透熱體；而對投入射左右，可近似看成透熱體；而對投入射 線為線為0.81000m的紅外線，的紅外線，0.9左右，基本上不透左右，基本上不透 過。過。 以上討論了極端情況下的一些特例，自然界

22、中既沒以上討論了極端情況下的一些特例，自然界中既沒 有有=1的絕對黑體，也沒有的絕對黑體，也沒有=1的全反射體，如后文所描的全反射體，如后文所描 述的那樣，一般的物體多為述的那樣，一般的物體多為灰體：能夠以相同的吸收率灰體：能夠以相同的吸收率 吸收所有波長范圍輻射能的物體吸收所有波長范圍輻射能的物體。 4.2 斯蒂芬斯蒂芬-波爾茲曼（波爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律）定律 工程上，人們往往關心的是物體的總輻射能力，斯蒂芬工程上，人們往往關心的是物體的總輻射能力，斯蒂芬-波爾波爾 茲曼根據普朗克定律積分，茲曼根據普朗克定律積分， 得到得到黑體的輻射能力與溫度黑體的輻射能力與溫度T

23、之間的關系：之間的關系： 這里的這里的0為黑體的輻射常數（或為黑體的輻射常數（或Stefan-Boltzmann常數），其常數），其 值為值為5.6710-8W/m2K4，C0為為5.67。 表面溫度升高一倍時，表面向外輻射的能量增加表面溫度升高一倍時，表面向外輻射的能量增加16倍。由于倍。由于 物體的輻射能力與溫度的物體的輻射能力與溫度的4次方成正比，因此在次方成正比，因此在高溫高溫時，就不能時，就不能 像低溫時那樣忽略輻射傳熱了。像低溫時那樣忽略輻射傳熱了。 4.3 固體的熱輻射固體的熱輻射 （1）實際固體的輻射能力及黑度、單色黑度、灰體）實際固體的輻射能力及黑度、單色黑度、灰體 實際固體

24、的輻射能力與它的實際固體的輻射能力與它的表面溫度、輻射方向、輻表面溫度、輻射方向、輻 射線的波長以及表面狀況有關射線的波長以及表面狀況有關。但是，實際固體的單色輻。但是，實際固體的單色輻 射能力隨波長和溫度的變化不服從普朗克定律；它的輻射射能力隨波長和溫度的變化不服從普朗克定律；它的輻射 能力不服從斯蒂芬能力不服從斯蒂芬波爾茲曼定律。上一節(jié)已敘述了黑體波爾茲曼定律。上一節(jié)已敘述了黑體 輻射的各種規(guī)律，并知道自然界一切物體的輻射能力均小輻射的各種規(guī)律，并知道自然界一切物體的輻射能力均小 于同溫度下黑體的輻射能力。為了表示于同溫度下黑體的輻射能力。為了表示實際物體輻射能力實際物體輻射能力 的大小，

25、可以采用的大小，可以采用輻射率或黑度輻射率或黑度來表示，即實際物體的輻來表示，即實際物體的輻 射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比值。射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比值。 用符號用符號表示：表示：黑度黑度 常見物體的黑度見教材。常見物體的黑度見教材。 物體的單色黑度（單色發(fā)射率）物體的單色黑度（單色發(fā)射率）：實際物體的單色輻射能力實際物體的單色輻射能力 E與相同溫度下黑體單色輻射能力與相同溫度下黑體單色輻射能力E0的比值，即：的比值，即： 假如某種物體的單色輻射能力假如某種物體的單色輻射能力E與同一溫度下絕對黑體的單色與同一溫度下絕對黑體的單色 輻射能力輻射能力E0之比等于常數，之比等于常數，

26、即在所有波長下，物體的單色黑度即在所有波長下，物體的單色黑度 常數，這種物體叫作灰體常數，這種物體叫作灰體。許多工程材料都可以近似地看作灰體。許多工程材料都可以近似地看作灰體。 （2）固體的單色黑度和單色吸收率的關系克希霍夫）固體的單色黑度和單色吸收率的關系克?；舴?Kirchhoff)定律定律 克?；舴蚩讼；舴?Kirchhoff)定律：定律：物體表面的單色黑度等于它的單色吸收率。物體表面的單色黑度等于它的單色吸收率。 用數學表達式表示如下：用數學表達式表示如下： 對于灰體對于灰體 注意：灰體的吸收不能任意推廣到對太陽輻射的吸收，因為太注意：灰體的吸收不能任意推廣到對太陽輻射的吸收，因為太

27、陽輻射中可見光占整個輻射的陽輻射中可見光占整個輻射的46左右，左右，在高溫下，物體表面的在高溫下，物體表面的 顏色對可見光的吸收呈現強烈的選擇性顏色對可見光的吸收呈現強烈的選擇性；而在常溫下，物體的顏；而在常溫下，物體的顏 色對可見光的吸收則沒有什么差別。例如，白色對于從太陽來的色對可見光的吸收則沒有什么差別。例如，白色對于從太陽來的 高溫（高溫（6000K）輻射，白色顏料的吸收率約為）輻射，白色顏料的吸收率約為0.120.26；而對于；而對于 低溫下的熱輻射，白色顏料的吸收率卻為低溫下的熱輻射，白色顏料的吸收率卻為0.9左右。左右。 （3 3）兩固體間的相互輻射）兩固體間的相互輻射 44 1

28、2 1 21 2 TT CA() -() 100100 1 2 ：輻射傳熱速率，：輻射傳熱速率，W W 1 2 C ：總輻射系數，：總輻射系數，W.mW.m-2 -2.K .K-4 -4 ：幾何因子或角速度：幾何因子或角速度 ，W.mW.m-2 -2.K .K-4 -4 A A ：輻射面積：輻射面積 T T1 1，T T2 2 ：高溫和低溫物體溫度：高溫和低溫物體溫度 0 1 2 1 12 C C A1 A 2 1 （-1） A A1 1，A A2 2 ：被包圍和外圍物體的：被包圍和外圍物體的 表面積，表面積，m m2 2 第五節(jié)第五節(jié) 傳熱計算傳熱計算 在實際生產中，需要冷熱兩種流體進行熱交

29、換，在實際生產中，需要冷熱兩種流體進行熱交換， 但不允許它們混合，為此需要采用間壁式的換熱器。但不允許它們混合，為此需要采用間壁式的換熱器。 此時，冷、熱兩流體分別處在間壁兩側，兩流體間此時，冷、熱兩流體分別處在間壁兩側，兩流體間 的熱交換包括了固體壁面的導熱和流體與固體壁面的熱交換包括了固體壁面的導熱和流體與固體壁面 間的對流傳熱。關于導熱和對流傳熱在前面已介紹間的對流傳熱。關于導熱和對流傳熱在前面已介紹 過，本節(jié)主要在此基礎上進一步討論過，本節(jié)主要在此基礎上進一步討論間壁式換熱器間壁式換熱器 的傳熱計算。的傳熱計算。 總傳熱速率方程式總傳熱速率方程式 =KA Tm 上式稱為傳熱速率方程式或

30、傳熱基本方程式，其中上式稱為傳熱速率方程式或傳熱基本方程式，其中K為為 總傳熱系數，總傳熱系數， Tm平均溫度差。該式是換熱器設計最重平均溫度差。該式是換熱器設計最重 要的方程式。要的方程式。 T1 熱流體 T2 t1冷流體t2 A dA T t T+dT t+dt 1、冷、熱流體的進、出口溫度分別為、冷、熱流體的進、出口溫度分別為 t1、t2，T1、T2， 2、冷、熱流體的質量流量為、冷、熱流體的質量流量為qm,c、qm,h。 3、設換熱器絕熱良好，熱損失可以忽、設換熱器絕熱良好，熱損失可以忽 略，則兩流體流經換熱器時，單位時略，則兩流體流經換熱器時，單位時 間內間內熱流體放出熱等于冷流體吸

31、收熱。熱流體放出熱等于冷流體吸收熱。 5.1 換熱器的熱負荷計算換熱器的熱負荷計算 （1）無相變：比熱容法）無相變：比熱容法 QL=qm,hCm,h(T1-T2)=qm,cCm,c(t2-t1) （2）有相變）有相變 若熱流體有相變化，如飽和蒸汽冷凝，如下式所示：若熱流體有相變化，如飽和蒸汽冷凝，如下式所示： hh ,m1L rq, 若液體沸騰氣化為同溫度的飽和蒸汽吸收的熱量：若液體沸騰氣化為同溫度的飽和蒸汽吸收的熱量： )()( 12,21, ttcqTTcrqQ pccmphhm 熱 流 體 冷 凝熱 流 體 冷 凝 先冷凝后冷卻先冷凝后冷卻 QL,c=qm,crc 熱負荷是熱負荷是由生產

32、工藝條件決定的，是對換熱器換熱由生產工藝條件決定的，是對換熱器換熱 能力的能力的要求要求；而；而傳熱速率是傳熱速率是換熱器本身在一定操作條件換熱器本身在一定操作條件 下的換熱能力，是換熱器下的換熱能力，是換熱器本身的特性本身的特性，二者是不相同的。，二者是不相同的。 對于一個能滿足工藝要求的換熱器，其對于一個能滿足工藝要求的換熱器，其傳熱速率值傳熱速率值 必須等于或略大于熱負荷值必須等于或略大于熱負荷值。而在實際設計換熱器時，。而在實際設計換熱器時， 通常將傳熱速率和熱負荷數值上認為相等，通過熱負荷通常將傳熱速率和熱負荷數值上認為相等，通過熱負荷 可確定換熱器應具有的傳熱速率，再依據傳熱速率來

33、計可確定換熱器應具有的傳熱速率，再依據傳熱速率來計 算換熱器所需的傳熱面積。因此，傳熱過程計算的基礎算換熱器所需的傳熱面積。因此，傳熱過程計算的基礎 是傳熱速率方程和熱量衡算式。是傳熱速率方程和熱量衡算式。 1)用傳熱面積校核：用傳熱面積校核：換熱器面積為換熱器面積為 A 由由 計算出計算出A，若，若 則換熱器適用。則換熱器適用。 mpm tKAtcqQAA 2)用傳熱速率校核：用傳熱速率校核： m tAKQtcqQ pm 若若 適用適用QQ 換熱器校核換熱器校核 5.2 傳熱過程推動力傳熱過程推動力平均溫度差平均溫度差 前已述及，在沿管長方向的不同部分，冷、熱流體前已述及，在沿管長方向的不同

34、部分，冷、熱流體 溫度差不同，溫度差不同，本節(jié)討論如何計算其平均值本節(jié)討論如何計算其平均值 tm，就冷、熱，就冷、熱 流體的相互流動方向而言，可以有不同的流動型式，傳流體的相互流動方向而言，可以有不同的流動型式，傳 熱平均溫差熱平均溫差 tm的計算方法因的計算方法因流動型式流動型式而異。按照參與熱而異。按照參與熱 交換的冷熱流體在沿換熱器傳熱面流動時，各點溫度變交換的冷熱流體在沿換熱器傳熱面流動時，各點溫度變 化情況，可分為化情況，可分為恒溫差傳熱恒溫差傳熱和和變溫差傳熱變溫差傳熱。 恒溫差傳熱：兩側流體均發(fā)生相變，且溫度不變，則恒溫差傳熱：兩側流體均發(fā)生相變，且溫度不變，則 冷熱流體溫差處處

35、相等，不隨換熱器位置而變的情況。冷熱流體溫差處處相等，不隨換熱器位置而變的情況。 如間壁的一側液體保持恒定的沸騰溫度如間壁的一側液體保持恒定的沸騰溫度T下蒸發(fā)；下蒸發(fā)； 而間壁的另一側，飽和蒸汽在溫度而間壁的另一側，飽和蒸汽在溫度T下冷凝過程，此時下冷凝過程，此時 傳熱面兩側的溫度差保持均一不變，稱為傳熱面兩側的溫度差保持均一不變，稱為恒溫差傳熱。恒溫差傳熱。 TTT （1）定態(tài)恒溫傳熱溫度差）定態(tài)恒溫傳熱溫度差 （2）定態(tài)變溫傳熱溫度差）定態(tài)變溫傳熱溫度差 變溫差傳熱是指傳熱溫度隨換熱器位置而變的情況。變溫差傳熱是指傳熱溫度隨換熱器位置而變的情況。 當間壁傳熱過程中一側或兩側的流體。沿著傳熱

36、壁面在不當間壁傳熱過程中一側或兩側的流體。沿著傳熱壁面在不 同位置點溫度不同，因此傳熱溫度差也必隨換熱器位置而同位置點溫度不同，因此傳熱溫度差也必隨換熱器位置而 變化，該過程可分為變化，該過程可分為單側變溫和雙側變溫單側變溫和雙側變溫兩種情況。兩種情況。 （a）單側變溫）單側變溫 如用蒸汽加熱一冷流體，蒸汽冷凝放出潛熱，冷凝溫如用蒸汽加熱一冷流體，蒸汽冷凝放出潛熱，冷凝溫 度度T不變，而冷流體的溫度由不變，而冷流體的溫度由T1上升到上升到T2?；蛘邿崃黧w溫。或者熱流體溫 度從度從T1下降下降T2，放出顯熱去加熱另一較低溫度，放出顯熱去加熱另一較低溫度T下沸騰的下沸騰的 液體，后者溫度始終保持在

37、沸點液體，后者溫度始終保持在沸點T。 （b）雙側變溫）雙側變溫 此時平均溫度差此時平均溫度差 Tm與換熱器內冷熱流體流動方向有關，與換熱器內冷熱流體流動方向有關， 下面先來介紹工業(yè)上常見的幾種流動型式。下面先來介紹工業(yè)上常見的幾種流動型式。 逆流 并流 錯流 折流1： 多次錯流多次錯流 并流逆流交錯并流逆流交錯 逆流和并流逆流和并流 t1t2 T1 T2 t2 t1 T1 T2 t2 t A t1 T2 T1 t2 t A t1 T2 T1 逆流逆流 并流并流 并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動。并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動。 逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面

38、平行而反向的流體。逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。 并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動。并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動。 逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。 沿傳熱面的局部溫度差（沿傳熱面的局部溫度差（T-T）是變化的，所以在計）是變化的，所以在計 算傳熱速率時必須用積分的方法求出整個傳熱面上的平均算傳熱速率時必須用積分的方法求出整個傳熱面上的平均 溫度差溫度差 Tm。 2 1 21 T T ln TT T m 當當 T1/ T22，則可用算術平均值代替，則可用算術平均值代替 2

39、/ )TT(T 21 m （誤差（誤差4%，工程計算可接受），工程計算可接受） T1、 T2為換熱器兩端的冷熱流體的溫度差為換熱器兩端的冷熱流體的溫度差。 并流并流 T1=T1-T1 T2= T2-T2 逆流逆流 T1=T1-T2 T2= T2-T1 在大多數的列管換熱器中，兩流體并非簡單的逆流或在大多數的列管換熱器中，兩流體并非簡單的逆流或 并流，因為傳熱的好壞，除考慮溫度差的大小外，還要考并流，因為傳熱的好壞，除考慮溫度差的大小外，還要考 慮到影響傳熱系數的多種因素以及換熱器的結構是否緊湊慮到影響傳熱系數的多種因素以及換熱器的結構是否緊湊 合理等。所以實際上兩流體的流向，是比較復雜的多程流

40、合理等。所以實際上兩流體的流向，是比較復雜的多程流 動，或是相互垂直的交叉流動。動，或是相互垂直的交叉流動。 T2 T1 T1 T2 T1T2 T1 T2 例：在一石油裂解裝置中，所得熱裂物的溫度為例：在一石油裂解裝置中，所得熱裂物的溫度為300， 現設計一換熱器，欲將石油從現設計一換熱器，欲將石油從25預熱倒預熱倒180，熱裂物，熱裂物 通過換熱器后終止溫度不低于通過換熱器后終止溫度不低于200，試計算熱裂物與石，試計算熱裂物與石 油在換熱器中采用并流和逆流的對數平均溫度差油在換熱器中采用并流和逆流的對數平均溫度差 。m T （2）逆流）逆流 T1=300，T2=180，T2=200， T1

41、=25 T1=T1-T1 =300-25=275， T2= T2-T2=200-180=20 12 1 2 TT27520 T97.29 T275 lnln 20T m T1=T1-T2=300-180=120， T2= T2-T1=200-25=175 12 1 2 TT120 175 T145.77 T120 lnln 175T m 結論：結論：進出口溫度一定進出口溫度一定 時，時，逆流逆流時的時的平均溫度平均溫度 差差比比并流并流時大。時大。 并流并流 T1=T1-T1 T2= T2-T2 逆流逆流 T1=T1-T2 T2= T2-T1 解解（1）并流：并流： T1=300，T1=25，

42、T2=200，T2=180 300 200 25 180 275 20 300 200 180 25 120 175 思考：若兩種情況下換熱條件接近，近思考：若兩種情況下換熱條件接近，近 似認為兩者換熱系數相同，熱負荷相同似認為兩者換熱系數相同，熱負荷相同 時，為何一般選擇逆流？時，為何一般選擇逆流？ 逆逆并并mm tKAtKAQ 667. 0 逆 并 并 逆 m m t t A A 即同等條件下，逆流所需傳熱面即同等條件下，逆流所需傳熱面 積小于并流的，可減小設備體積。積小于并流的，可減小設備體積。 錯流：兩種流體的流向垂直交叉。錯流：兩種流體的流向垂直交叉。 折流：一流體只沿一個方向流動，

43、另一流體反復來回折流：一流體只沿一個方向流動，另一流體反復來回 折流；或者兩流體都反復折回。折流；或者兩流體都反復折回。 復雜流：幾種流動型式的組合。復雜流：幾種流動型式的組合。 對于這些情況，對于這些情況，先按逆流計算先按逆流計算對數平均溫差對數平均溫差 Tm逆 逆， ， 再再乘以校正系數乘以校正系數 T 即：即： Tm= T Tm逆逆 12 21 tt TT R 冷流體溫升 熱流體溫降 11 12 tT tt P 兩流體初溫差 冷流體溫升 流型）,(RPf （1）、流向對傳熱平均溫差的影響）、流向對傳熱平均溫差的影響 、間壁兩側流體為恒溫、間壁兩側流體為恒溫 、間壁一側恒溫另一側為變溫、間

44、壁一側恒溫另一側為變溫 、間壁兩側均為變溫、間壁兩側均為變溫 Tm并 并=Tm逆逆主要考慮設備結 主要考慮設備結 構以及操作上的方便構以及操作上的方便 、間壁兩側流體為恒溫、間壁兩側流體為恒溫 、間壁一側恒溫另一側為變溫、間壁一側恒溫另一側為變溫 、間壁兩側均為變溫、間壁兩側均為變溫 Tm并 并 Tm逆 逆； ； = K A Tm 當當一定時，一定時，Tm增加，增加，A減小，說明減小，說明逆流時所需傳熱面積比并流小逆流時所需傳熱面積比并流小 （2）、流向對載熱體用量的影響）、流向對載熱體用量的影響 由于由于Tm并 并=Tm逆逆，并流逆流 ，并流逆流 時的載熱體用量都相等時的載熱體用量都相等 T

45、1 T2 T1并 并 T2并 并 T2逆 逆 T1逆 逆 (1)、并流時，加熱介質由、并流時，加熱介質由T1并 并降到 降到T2并 并 其其最低極限出口溫度最低極限出口溫度可以達到冷流體出口可以達到冷流體出口 溫度溫度T2。 (2)、逆流時，加熱介質由、逆流時，加熱介質由T1逆 逆降到 降到T2逆 逆 其其最低極限出口溫度最低極限出口溫度可以達到冷流體進口可以達到冷流體進口 溫度溫度T1。 T2T1 qmh并 并Cph（ （T1并 并 T2并并） ） = qmh逆 逆Cph（ （T1逆 逆 T2逆逆） ）=qmCCpc（T2 - T1） T1并=T1逆 qmh并 并 qmh逆 逆 ,則逆流操作

46、時就有可能使則逆流操作時就有可能使T2逆 逆 T2并 并. . 以下情況采用并流：以下情況采用并流： 、加熱某些加熱某些熱敏性物料熱敏性物料時時，采用并流較易控制物料出口，采用并流較易控制物料出口 溫度，從而避免因出口溫度過高而影響物料的質量。溫度，從而避免因出口溫度過高而影響物料的質量。 、加熱加熱高粘度物料高粘度物料時時，采用并流可使物料進入換熱器后采用并流可使物料進入換熱器后 迅速升高溫度，從而降低物料粘度，提高熱交換的效果。迅速升高溫度，從而降低物料粘度，提高熱交換的效果。 、對于某些、對于某些高溫換熱器高溫換熱器，采用逆流操作時，高溫集中一，采用逆流操作時，高溫集中一 端，會使一端的

47、溫度過高，對設備材料的耐熱性能要求較端，會使一端的溫度過高，對設備材料的耐熱性能要求較 高，而采用并流則可以降低該處的溫度，可以延長換熱器高，而采用并流則可以降低該處的溫度，可以延長換熱器 的壽命。的壽命。 5.3 總傳熱系數總傳熱系數 三個來源：一是根據生產設備中所用的、經過實踐證明三個來源：一是根據生產設備中所用的、經過實踐證明 并總結出來的生產實踐數據并總結出來的生產實踐數據經驗值進行選取；二是通過經驗值進行選取；二是通過 現場測定現場測定K值；三是計算。值；三是計算。 一、經驗值一、經驗值 根據已知根據已知K值的生產設備值的生產設備(設備類似、雷諾數和流體的物設備類似、雷諾數和流體的物

48、 性等相近時性等相近時) 二、現場測定總傳熱系數：為與實測設備及操作條件相近的場合使用二、現場測定總傳熱系數：為與實測設備及操作條件相近的場合使用 三、計算三、計算 間壁兩側流體的熱交換過程包括如下三個串聯的傳熱過間壁兩側流體的熱交換過程包括如下三個串聯的傳熱過 程，熱量從熱流體傳至管壁一側，通過間壁再傳至另一側的程，熱量從熱流體傳至管壁一側，通過間壁再傳至另一側的 冷流體。冷流體。 （1）熱流體一側傳熱速率）熱流體一側傳熱速率 （對流）（對流） （2）通過管壁的導熱速率）通過管壁的導熱速率 T2 T1 T1 T2 （傳導）（傳導） （3）冷流體一側傳熱速率）冷流體一側傳熱速率 （對流）（對流

49、） 總傳熱系數總傳熱系數 1、K的推導的推導 )( 111w TTAQ )( 223 ttAQ w b tTA Q wwm )( 2 m tKAQQQQ 321 11A Q TT w b A Q tT m ww 22A Q ttw 2211 A Q b A Q A Q tT m m m tKA R t AA b A tT Q 2211 11 2211 11 AA b A R m 2211 111 AA b AKA m 串聯的推動力和熱阻具有加和性串聯的推動力和熱阻具有加和性 討論討論 A可取可取Ai、Ao、Am，工程上習慣取，工程上習慣取Ao (外表面外表面) ； 對于圓管，對于圓管，A可換算

50、為可換算為d，則，則 oomiioo AA b AAK 111 om o i o io A Ab A A K 111 om o i o i d db d d K 111 2、污垢熱阻、污垢熱阻 管壁內側污垢熱阻：管壁內側污垢熱阻：管壁外側污垢熱阻：管壁外側污垢熱阻： si R so R o so m o i o si i o i R d db d d R d d K 111 3、K值計算的簡化值計算的簡化 1）平壁或薄的圓筒壁：）平壁或薄的圓筒壁：di、do、dm、（、（Ai、Ao、Am）近似相）近似相 等，則等，則 o sosi i R b R K 111 2）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢

51、熱阻可忽略，則）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢熱阻可忽略，則 oi b K 111 3）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢熱阻及管壁熱阻都忽略）新的、平壁（薄壁）換熱器：污垢熱阻及管壁熱阻都忽略 oi K 111 4）當）當 時時 oi o K當當 時時 io i K 總熱阻是由總熱阻是由熱阻大的一側熱阻大的一側對流傳熱所控制，即當兩個對流傳熱對流傳熱所控制，即當兩個對流傳熱 系數相差較大時，欲提高系數相差較大時，欲提高K值，關鍵在于值，關鍵在于提高對流傳熱系數較提高對流傳熱系數較 小小的一側的對流傳熱系數。的一側的對流傳熱系數。 當傳熱面為圓筒壁時，兩側的傳熱面積不等當傳熱面為圓筒壁時，兩側的傳

52、熱面積不等，如以外表，如以外表 面為基準（在換熱器系列化標準中常如此規(guī)定），面為基準（在換熱器系列化標準中常如此規(guī)定），則有：則有： 2 1 2 1 11 111 d d d d K m 以內表面為基準：以內表面為基準： 2 2 1 2 12 111 m d d d d K 以壁表面為基準：以壁表面為基準： 2211 111 d d d d K mm m 例例3、在一外表面積、在一外表面積Ao為為300m2的單程管殼式換熱器中，的單程管殼式換熱器中，300 的某種氣體流過殼程并被加熱到的某種氣體流過殼程并被加熱到430，另一種，另一種560的氣體的氣體 作為加熱介質，兩氣體逆流流動，流量均為作

53、為加熱介質，兩氣體逆流流動，流量均為1104kg/h，平均，平均 比熱容均為比熱容均為1.05kJ/kg。試求總傳熱系數。假設換熱器的熱。試求總傳熱系數。假設換熱器的熱 損失為殼方氣體傳熱量的損失為殼方氣體傳熱量的10%。 解：WQttcwQ Lpcsc 5 4 3 12 1017. 4 3600 101 )300430(1005. 11 . 1)( )( 21 TTcwQ phsh 又 )560(1005. 1 3600 101 1017. 4 2 3 4 5 T 即 T417 2 560 417 430 300 tm5 .123 2 117130 mW tA Q K m 2 5 /3 .1

54、1 5 .123300 1017. 4 75 一、傳熱效率一、傳熱效率 max Q Q 最大可能傳熱速率 實際傳熱速率 傳熱效率 最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差最大可能傳熱速率：換熱器中可能發(fā)生最大溫差 變化的傳熱速率。變化的傳熱速率。 理論上最大的溫差：理論上最大的溫差： 11 tT 5.4 5.4 傳熱效率傳熱單元數法傳熱效率傳熱單元數法 K值的獲得值的獲得 1）計算）計算 m tA Q K 2）實驗測定）實驗測定3）經驗值）經驗值 四、壁溫的估算四、壁溫的估算 )( 1wi TTAQ )( 22 ttA w )( wwm tTA b m tKA )( 1222 ttcw ps

55、 sii iw soo wo R tt R tt 11 試差：假設一試差：假設一tw，計算，計算 、 ， 用上式近似計算用上式近似計算tw ，壁溫應接，壁溫應接 近于近于大的一側流體的溫度。大的一側流體的溫度。 i o 五、傳熱面積的計算五、傳熱面積的計算 dlnA 六、傳熱過程的強化六、傳熱過程的強化 1、增大傳熱平均溫度差、增大傳熱平均溫度差 m t 1）兩側變溫情況下，盡量采用逆流流動；）兩側變溫情況下，盡量采用逆流流動； 2）提高加熱劑的溫度或降低冷卻劑的溫度。）提高加熱劑的溫度或降低冷卻劑的溫度。 注：利用注：利用 來強化傳熱是有限的。來強化傳熱是有限的。 m t 2、增大總傳熱系數

56、、增大總傳熱系數K 1）盡可能利用有相變的熱載體，以提高對流傳熱系數）盡可能利用有相變的熱載體，以提高對流傳熱系數 ； 2）用）用 大的熱載體，如液體金屬大的熱載體，如液體金屬Na等；等； 3）減小金屬壁、污垢及兩側流體熱阻中較大者的熱阻；）減小金屬壁、污垢及兩側流體熱阻中較大者的熱阻； 4）提高）提高 較小一側有效。提高較小一側有效。提高 的方法包括：增大流速、的方法包括：增大流速、 管內加擾流元件、改變傳熱面形狀和增加粗糙度等。管內加擾流元件、改變傳熱面形狀和增加粗糙度等。 3、增大單位體積的傳熱面積、增大單位體積的傳熱面積 1）直接接觸傳熱：可增大）直接接觸傳熱：可增大A和湍動程度，使和

57、湍動程度，使Q； 2）采用高效新型換熱器。）采用高效新型換熱器。如板式換熱器、強化管式換熱器、如板式換熱器、強化管式換熱器、 熱管換熱器、流化床換熱器等熱管換熱器、流化床換熱器等 例例2、換熱器、換熱器 ， 管組成單程列管式換熱器，管組成單程列管式換熱器， 初始溫度為初始溫度為10的水將機油由的水將機油由200 冷卻至冷卻至100 ，水走管內。，水走管內。 水和油的質量流量分別為水和油的質量流量分別為 ， ， 比熱容分別為比熱容分別為 ， ，對流傳熱，對流傳熱 系數為系數為 ， ，逆流流動。忽略，逆流流動。忽略 污垢熱阻和管壁熱阻，核算該換熱器是否適用。污垢熱阻和管壁熱阻，核算該換熱器是否適用

58、。 2 3mA mm5 . 225 hkgws/1000 水 hkgws/1200 油 KkgkJcp/18. 4 水 KkgkJcp/0 . 2 油 KmW 2 /2000 水 KmW 2 /250 油 解：)()( 1221 ttcwTTcwQ psps 水水油油 t4 .67 2 200 100 67.4 10 6 .132 1 t 3 10625. 4 250 1 20 25 2000 1111 oi o i d d K KmWK 2 /2.216 2 8 . 2 9 .1092 .216 100067.66 m tK Q A m 適用 例例3、在逆流換熱器中，用初溫為、在逆流換熱器中

59、，用初溫為20的水將的水將1.25kg/s的液體的液體 （比熱容為（比熱容為1.9kJ/kg、密度為、密度為850kg/m3）由）由80冷卻到冷卻到30。 換熱器列管直徑為換熱器列管直徑為25mm2.5mm，水走管方。水側和液體側，水走管方。水側和液體側 的對流傳熱系數分別為的對流傳熱系數分別為0.85kW/m2和和1.70 kW/m2，污垢熱，污垢熱 阻可以忽略。若水的出口溫度不能高于阻可以忽略。若水的出口溫度不能高于50，試求換熱器的傳，試求換熱器的傳 熱面積。熱面積。 解：解：kWTTcwQ phsh 119)3080(9 . 125. 1)( 21 20 50 30 80 t t tt

60、 tm2 .18 10 30 ln 1030 ln 2 1 21 mW d d K i o io o 211 /7 .485) 20 25 850 1 1700 1 () 11 ( 2 46.13 2 .187 .485 119000 m tK Q A m o 返回返回 返回返回 返回返回 返回返回 殼程管程管程返回返回 單程列管式換熱器 1 外殼 2管束 3、4接管 5封頭 6 管板 7擋板 返回返回 雙程列管式換熱器 1殼體 2管束 3擋板 4隔板 返回返回 返回返回 第六節(jié)第六節(jié) 熱交換器熱交換器 熱交換方式：熱交換方式：蓄熱蓄熱、直接直接和和間接間接式三種。式三種。 換熱器：蓄熱式、直